(57)【要約】  燃料電池の発電性能の一層向上させることができる膜電極接合体を提供するため、本発明は、互いに隣接するガス流路（２１）を隔てるリブ部（２２）の多孔度を、リブ部の下方領域（２３）の多孔度よりも低くする。これにより、リブ部の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えて、発電性能を一層向上させることができる。
2011027539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記１対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体。
【請求項２】
前記リブ部の多孔度が、前記第２主面側に位置する前記ガス流路の下方領域の多孔度よりも低い、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記ガス流路の少なくとも一部は、前記第２主面側に位置する底部から前記第１主面側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項１又は２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記ガス拡散層の第１主面の中心側に位置するガス流路は、矩形の断面形状を有し、
前記ガス拡散層の第１主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記ガス流路の全部が、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、三角形である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、アーチ型である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、台形である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する１対のセパレータと、
を有する、燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記ガス拡散層の前記第２主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第１セパレータと、
前記第１セパレータと対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第２セパレータと、
を有する、燃料電池。
【請求項１１】
第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記突起部の断面形状が三角形である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記突起部の断面形状がアーチ型である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記突起部の断面形状が台形である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第１主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
前記突起部は、第１突起と第２突起とを有し、
前記ガス流路は、前記第１突起と前記第２突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、請求項１５に記載の膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスとして、純水素、メタノールなどの液体燃料、あるいは、化石燃料などからの改質水素などの還元剤を用い、酸化剤ガスとして、空気（酸素）などを用いる燃料電池に関し、より詳しくは、当該燃料電池が備える膜電極接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、白金などの触媒層を有するガス拡散層で電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。【０００３】
図３０は、従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。高分子電解質形燃料電池の単電池（セルともいう）１００は、膜電極接合体１１０（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）と、ＭＥＡ１１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ１２０，１２０とを有している。【０００４】
ＭＥＡ１１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（イオン交換樹脂膜）１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２とを備えている。一対の電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１１４（ＧＤＬともいう）とを有している。ガス拡散層１１４は、炭素繊維からなる基材１１５と、カーボンと撥水材からなるコーティング層（撥水カーボン層）１１６とで構成されている。【０００５】
一対のセパレータ１２０，１２０にはそれぞれ、ガス拡散層１１４と当接する主面に、反応ガスである燃料ガス又は酸化剤ガスを流すための矩形断面のガス流路１２１が設けられている。一方のセパレータ１２０に設けられたガス流路１２１は、燃料ガスを流すための燃料ガス流路であり、他方のセパレータに設けられたガス流路１２１は、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路である。また、一対のセパレータ１２０，１２０の互いに隣接する面には、冷却水などが通る冷却水流路１２２が設けられている。一方のガス流路１２１を通じて一方の電極層１１２に燃料ガスが供給されるとともに、他方のガス流路１２１を通じて他方の電極層１１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。【０００６】
前記のように構成されるセル１００は、図３０に示すように１つ以上積層され、互いに隣接するセル１００を電気的に直列に接続されて使用されるのが一般的である。なお、このとき、互いに積層されたセル１００は、反応ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材１３０により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡ１１０とセパレータ１２０とは所定の圧力で面接触することになる。このとき、セパレータ１２０は、互いに隣接するＭＥＡ１１０，１１０同士を電気的に直列に接続するための集電性を有する。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、一対のセパレータ１２０，１２０の間には、触媒層１１３とガス拡散層１１４の側面を覆うようにシール材（ガスケット）１１７が配置されている。【０００７】
近年、燃料電池の分野においては、より一層の低コスト化が求められており、各構成部材の単価の低減、部品点数の削減などの観点から、様々な低コスト化の技術が提案されている。その１つとして、ガス流路１２１を、セパレータ１２０に設けるのではなく、ガス拡散層１１４に設ける技術が提案されている。【０００８】
図３０に示す従来の燃料電池においては、セパレータ１２０にガス流路１２１を設けている。この構成を実現する方法としては、例えば、セパレータ１２０の材料としてカーボンと樹脂とを用い、これらを、ガス流路１２１の形状に対応する矩形断面の凸部を有する金型を用いて射出成形する方法がある。しかしながら、この場合、製造コストが高いという課題がある。また、前記構成を実現する別の方法として、セパレータ１２０の材料として金属を用い、ガス流路１２１の形状に対応する矩形断面の凸部を有する金型を用いて当該金属を圧延する方法がある。しかしながら、この場合、前記射出成形法に比べて低コスト化を実現することができる一方で、セパレータ１２０が腐食しやすく、燃料電池としての発電性能が低下するという課題がある。【０００９】
一方、ガス拡散層１１４は、ガス拡散性を備えるようにするために、多孔質部材で構成される。このため、ガス流路１２１をガス拡散層１１４に形成することの方がセパレータに形成することに比べて容易であり、低コスト化及び高発電性能化を図るのに有利である。このような構成を有するガス拡散層としては、例えば、特許文献１（特開２００６−３３９０８９号公報）に記載されたものがある。【００１０】
特許文献１には、直方体状に伸長された複数の流路型を備えた成型治具を用いて炭素繊維を基材とした多孔質部材を抄紙法によって成型し、当該成型後に前記成型治具を抜き取ることによって、ガス拡散層の内部にガス流路を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−３３９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、燃料電池においてはより一層の発電性能の向上が求められており、前記従来の構成では、発電性能が十分でないという課題がある。【００１３】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、燃料電池の発電性能の一層向上させることができる膜電極接合体及びその製造方法、及び当該膜電極接合体を備えた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するようの複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる膜電極接合体によれば、互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低いので、リブ部の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えて、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図３】図３は、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図４Ａ】図４Ａは、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図５】図５は、金型の断面形状の第１変形例を示す断面図であり、
【図６】図６は、金型の断面形状の第２変形例を示す断面図であり、
【図７】図７は、金型の断面形状の第３変形例を示す断面図であり、
【図８】図８は、図３に示す製造方法とは別の製造方法を示すフローチャートであり、
【図９】図９は、図３及び図８に示す製造方法とは別の製造方法を示すフローチャートであり、
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図１１】図１１は、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図１２】図１２は、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１３Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図１４】図１４は、金型に設けられた突起部を構成する平板を示す斜視図であり、
【図１５Ａ】図１５Ａは、図１３Ａ〜図１３Ｃに示す製造方法とは別の製造方法を模式的に示す説明図であり、
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図１６】図１６は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図１７】図１７は、図１６に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図１８】図１８は、アーチ型の断面形状のガス流路の一例を模式的に示す説明図であり、
【図１９】図１９は、アーチ型の断面形状のガス流路の他の例を模式的に示す説明図であり、
【図２０】図２０は、図１６に示すガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図２１Ａ】図２１Ａは、図１６に示すガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図２２】図２２は、ガス拡散層にセパレータを取り付けた状態を示す図であり、
【図２３】図２３は、ガス流路の深さに対する圧力損失の割合を示すグラフであり、
【図２４】図２４は、ガス流路の断面形状の第１変形例を示す断面図であり、
【図２５】図２５は、ガス流路の断面形状の第２変形例を示す断面図であり、
【図２６】図２６は、ガス流路の断面形状の第３変形例を示す断面図であり、
【図２７】図２７は、ガス流路の第１変形例を示す平面図であり、
【図２８】図２８は、ガス流路の第２変形例を示す平面図であり、
【図２９】図２９は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の変形例を示す模式断面図であり、
【図３０】図３０は、従来の燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図３１Ａ】図３１Ａは、比較例にかかるガス拡散層の製造方法を模式的に示す説明図であり、
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、図３１Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図３１Ｃ】図３１Ｂは、図３１Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図３２】図３２は、従来のガス拡散層のガス流路の断面形状を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、従来の燃料電池において十分な発電性能を得られない原因を鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
【００１８】
ガス拡散層にガス流路を形成した場合、互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部も多孔質部材で構成されることになる。特許文献１のように炭素繊維を基材とした多孔質部材でガス拡散層を構成した場合、その多孔度は通常８０％以上と高くなる。このため、リブ部の内部を反応ガスが透過（ショートカット）して反応ガスがガス流路の形状に沿って流れず、その結果、十分な発電性能が得られていないことに本発明者らは気付いた。また、リブ部が多孔質部材で構成されることにより、セルの組立時に加わる締結圧によってリブ部が変形し、ガス流路の断面積が過剰に小さくなることに本発明者らは気付いた。ガス流路の断面積が小さくなった場合、反応ガスが電極層に十分に供給されず、発電性能が低下することになる。
【００１９】
前記課題は、ガス拡散層の多孔度を低くする（密度を高くする）ことで改善することができるように思われる。しかしながら、ガス拡散層の多孔度を低くすると、ガス拡散性が低下するので、結果として燃料電池の発電性能が低くなるおそれがある。また、ガス拡散層の低多孔度化（８０％以下）は、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層を構成すると容易である。しかしながら、炭素繊維を基材として用いずに構成したガス拡散層（以下、基材レスガス拡散層という）は、強度が弱いという課題がある。このため、セルの組立時に加わる締結圧によってリブ部が一層変形しやすくなる。
【００２０】
これらの課題に対して、本発明者らは、ガス拡散層全体の多孔度を低くするのではなく、単一のガス拡散層において多孔度を部分的に異ならせることにより、発電性能を向上させることができることを見出した。具体的には、本発明者らは、リブ部の多孔度を低くすることによりリブ部の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑える一方、リブ部の下方領域の多孔度をリブ部の多孔度よりも高くすることによりガス拡散性を確保し、結果として発電性能を向上させることができることを見出した。
これらの知見に基づき、本発明者らは、以下の本発明に想到した。
【００２１】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
【００２２】
本発明の第２態様によれば、前記リブ部の多孔度が、前記第２主面側に位置する前記ガス流路の下方領域の多孔度よりも低い、第１態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、前記ガス流路の少なくとも一部は、前記第２主面側に位置する底部から前記第１主面側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、第１又は２態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、前記ガス拡散層の第１主面の中心側に位置するガス流路は、矩形の断面形状を有し、
前記ガス拡散層の第１主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
第３態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２５】
本発明の第５態様によれば、前記ガス流路の全部が、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、第３態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２６】
本発明の第６態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、三角形である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２７】
本発明の第７態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、アーチ型である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２８】
本発明の第８態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、台形である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２９】
本発明の第９態様によれば、第１〜８態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する１対のセパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜８態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体と、
前記ガス拡散層の前記第２主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第１セパレータと、
前記集電板と対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第２セパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
【００３１】
本発明の第１１態様によれば、第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３２】
本発明の第１２態様によれば、前記突起部の断面形状が三角形である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３３】
本発明の第１３態様によれば、前記突起部の断面形状がアーチ型である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３４】
本発明の第１４態様によれば、前記突起部の断面形状が台形である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３５】
本発明の第１５態様によれば、第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第１主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３６】
本発明の第１６態様によれば、前記突起部は、第１突起と第２突起とを有し、
前記ガス流路は、前記第１突起と前記第２突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、第１５態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
《第１実施形態》
図１を用いて、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成について説明する。図１は、本第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
【００３９】
本第１実施形態にかかる燃料電池は、図１に示すように、膜電極接合体１０（以下、ＭＥＡという）と、ＭＥＡ１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ２０，２０とを有するセル（単電池）１を備えている。なお、本第１実施形態にかかる燃料電池は、このセル１を複数個積層して構成されてもよい。この場合、互いに積層されたセル１は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材（図示せず）により所定の締結圧にて加圧締結されることが好ましい。
【００４０】
ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層１２，１２は、高分子電解質膜１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１３と、当該触媒層１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１４とを有している。
【００４１】
ガス拡散層１４には、セパレータ２０と当接する主面に、反応ガスを流すためのガス流路２１が設けられている。アノード電極側のガス流路２１は、燃料ガスを流すための燃料ガス流路であり、カソード電極側のガス流路２１は、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路である。燃料ガス流路を通じてアノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路を通じてカソード電極に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。互いに隣接するガス流路２１，２１を隔てるリブ部２２の先端は、所定の圧力（例えば２ｋｇｆ／ｃｍ２）でセパレータ２０に接している。これにより、ガス流路２１外に反応ガスが流れること（外部リーク）が防止されている。
【００４２】
セパレータ２０は、ガス透過性が低い金属などの材料で構成されている。なお、セパレータ２０には、冷却水などが通る冷却水流路（図示せず）が設けられていてもよい。セパレータ２０と高分子電解質膜１１との間には、反応ガスが外部に漏れるのを防ぐために、触媒層１３及びガス拡散層１４の側面を覆うようにシール材としてガスケット１５が配置されている。
【００４３】
なお、ガスケット１５は、一対のセパレータ２０，２０の間に、高分子電解質膜１１と触媒層１３とガス拡散層１４の側面を覆うように配置してもよい。これにより、高分子電解質膜１１の劣化を抑制し、ＭＥＡ１０のハンドリング性、量産時の作業性を向上させることができる。また、ガスケット１５は、その一部がガス拡散層１４に含浸している方が、発電耐久性及び強度の観点から好ましい。
【００４４】
ガスケット１５の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、ガスケット１５の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。
【００４５】
次に、図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかるガス拡散層１４の構成についてさらに詳細に説明する。図２は、ガス拡散層１４の拡大斜視図である。なお、図２に示す複数の黒丸は、多孔度（密度）の違いを示すために便宜的に付したものである。
【００４６】
ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いずに構成した基材レスガス拡散層で構成されている。具体的には、ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。ここで「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用することなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を構成する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれても良いことも意味する。
【００４７】
また、ガス拡散層１４は、互いに隣接するガス流路２１，２１を隔てるリブ部２２の多孔度がリブ部２２の下方領域（以下、リブ下方領域という）２３の多孔度よりも低く形成されている。言い換えれば、ガス拡散層１４は、リブ部２２の密度が「密」、リブ下方領域２３の密度が「疎」になるように形成されている。例えば、リブ部２２を除くガス拡散層１４の全体の多孔度は７０％に設定され、リブ部２２の多孔度は４０％〜５０％に設定されている。なお、ここで「リブ下方領域」とは、リブ部２２の鉛直下方に位置する領域をいう。また、ここでは、便宜上、セパレータ２０側を「上」、触媒層１３側を「下」と方向付けして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
ガス拡散層１４を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。
【００４９】
また、前記導電性粒子は、平均粒子径が異なる２種類のカーボン材料を混合して構成されることが好ましい。これにより、平均粒子径が大きな粒子同士の隙間に平均粒子径が小さな粒子が入り込むことができるので、ガス拡散層１４の全体の多孔度を低く（例えば、６０％以下）することが可能になる。充填構造を作製しやすい導電性粒子としてはグラファイトが挙げられる。従って、導電性粒子は、アセチレンブラックとグラファイトとを混合して構成されることが好ましい。
【００５０】
なお、アセチレンブラックの平均粒子径Ｄ５０（相対粒子量が５０％の時の粒子径：メディアン径ともいう）を、レーザ回折式粒度測定装置マイクロトラックＨＲＡを使用して測定したところ、Ｄ５０＝５μｍであった。また、アセチレンブラックと同様にして、グラファイトの粒子径Ｄ５０を測定したところ、Ｄ５０＝１６μｍであった。これらの平均粒子径の測定は、１０ｗｔ％の界面活性剤を含有した蒸留水にアセチレンブラック又はグラファイトの粒子を分散させ、粒度分布が安定した時点で行った。
【００５１】
なお、前記導電性粒子を３種類以上のカーボン材料を混合して構成すると、分散、混練、圧延条件などの最適化が困難である。このため、前記導電性粒子は、２種類のカーボン材料を混合して構成することが好ましい。
【００５２】
また、カーボン材料の原料形態としては、例えば、粉末状、繊維状、粒状などが挙げられる。それらの中でも粉末状がカーボン材料の原料形態として採用されることが、分散性、取り扱い性の観点から好ましい。
【００５３】
ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂は、前記導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。
【００５４】
前記高分子樹脂の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でも高分子樹脂の材料としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。
【００５５】
リブ部２２の多孔度は、２０％以上５０％未満であることが好ましい。リブ部２２の多孔度が２０％未満である場合には、リブ部２２のガス拡散性が低下して、特にリブ下方領域２３に反応ガスが到達しなくなり、発電性能が低下するおそれがある。一方、リブ部２２の多孔度が５０％以上である場合には、リブ部２２の強度が低下して、リブ部２２が変形し易くなる。また、この場合、リブ部２２の内部を透過する反応ガスの量が多くなりすぎて、ガス流路２１を流れるガスの量が減ってしまい、電極面内全体（特に下流領域）に均一に反応ガスを分配することが困難になる。
【００５６】
リブ下方領域２３の多孔度は、６５％以上８０％未満であることが好ましい。リブ下方領域２３の多孔度が６５％未満である場合には、ガス透過性が低下して、ガス拡散層１４の厚み方向に反応ガスが流れにくくなり、リブ部２２の鉛直下方での発電が困難になる。一方、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層の多孔度を８０％以上とすることは、製造プロセス上、困難である。仮に、多孔度８０％以上のガス拡散層を製造することができたとしても、強度が著しく低下し、ガス拡散層としての機能（特に耐久性）を果すことができない。
【００５７】
ガス流路２１の幅は、電極面積、ガス流量、電流密度、加湿条件、セル温度などにより最適値は大きく異なるが、流路幅が最も広くなっている部位において、０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内、特に０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。ガス流路２１の幅が０．１ｍｍ未満である場合には、燃料電池において通常流される反応ガスの量に対してガス流路２１の幅が十分でない可能性がある。一方、ガス流路２１の幅が３．０ｍｍより大きい場合には、反応ガスがガス流路２１の全体に流れなくなり、反応ガスの滞留が生じてフラッディングが起こる可能性がある。
【００５８】
ガス流路２１の深さは、電極面積、ガス流量、電流密度、加湿条件、セル温度などにより大きく異なるが、０．０１５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内、特に０．０３ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲内であることが好ましい。ガス流路２１の深さが０．０１５ｍｍ未満である場合には、燃料電池において通常流される反応ガスの量に対してガス流路２１の深さが十分でない可能性がある。一方、ガス流路２１の深さが２．０ｍｍより大きい場合には、反応ガスがガス流路２１の全体に流れなくなり、反応ガスの滞留が生じてフラッディングが起こる可能性がある。
【００５９】
リブ部２２の幅は、最も細くなっている部位において、０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内、特に０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。リブ部２２の幅が０．１ｍｍ未満である場合は、リブ部２２の強度が低下して、リブ部２２が変形し易くなる。一方、リブ部２２の幅が３．０ｍｍより大きい場合には、リブ部２２の鉛直下方の面積が大きくなるため、反応ガスが第１拡散層内で均一に拡散されず、面内発電分布にバラツキが生じるおそれがある。
【００６０】
リブ下方領域２３の厚さは、ガス利用率、電流密度、加湿条件、セル温度などにより最適値は大きく異なるが、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内、特に０．１ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００６１】
ガス拡散層１４に形成されるガス流路２１は、図１に示すように、三角形の断面形状を有している。ガス拡散層１４に形成されるガス流路２１の平面形状（パターン）は、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていたガス流路の形状と同様に形成することができる。このようなガス流路の平面形状としては、例えばストレート型、サーペンタイン型等が挙げられる。
【００６２】
なお、ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いることなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）であればよい。従って、ガス拡散層１４には、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、ガス拡散層１４の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール、及びエタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどのグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。
【００６３】
また、ガス拡散層１４には、基材としては成立しない重量（例えば、導電性粒子及び高分子樹脂よりも少ない重量）の炭素繊維が含まれていてもよい。炭素繊維には、補強効果があるので、炭素繊維の配合比率を高くすることによって、強度の高いガス拡散層を製造することができる。
【００６４】
前記炭素繊維の材料としては、例えば、気相成長法炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。前記炭素繊維としてＶＧＣＦを使用する場合、例えば、繊維径０．１５μｍ、繊維長１５μｍのものを使用すればよい。また、前記炭素繊維としてミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーを使用する場合、例えば、繊維径５〜２０μｍ、繊維長２０μｍ〜１００μｍであるものを使用すればよい。
【００６５】
前記ミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーの原料は、ＰＡＮ系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでもよい。また、前記ファイバーは、原糸（長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル）を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分散させて使用することが好ましい。
【００６６】
前記炭素繊維の配合量は、高分子樹脂よりも少ない重量であることが好ましい。基材レスガス拡散層の高強度化には炭素繊維を少量配合することでも十分に効果がある。前記炭素繊維の配合量を高分子樹脂よりも多くすると、炭素繊維が膜を突き刺し、膜劣化が生じて性能低下する懸念が生じやすくなる。また、コストが高くなる要因になる。また、ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いなければよく、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維とで支持される自己支持体構造であってもよい。
【００６７】
炭素繊維の配合比率は、２．０重量％以上１０．０重量％以下であることが好ましい。炭素繊維の配合比率が２．０重量％未満である場合には、内部抵抗値が急激に高くなり、発電効率が低下するおそれがある。一方、炭素繊維の配合比率が１０．０重量％より大きい場合には、炭素繊維は高分子電解質膜１１よりも通常硬い材料で構成されるので、高分子電解質膜１１が損傷して、燃料電池としての耐久性が低下するおそれがある。
【００６８】
次に、図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照しつつ、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４の製造方法の一例について説明する。図３は、本第１実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートである。図４Ａ及び図４Ｂは、その製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【００６９】
まず、ステップＳ１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。より具体的には、導電性粒子と界面活性剤と分散溶媒とを攪拌・混錬機に投入し、それらを混錬して粉砕及び造粒する。この後、それらの混錬物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混錬機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。
【００７０】
ステップＳ２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延してシート状に成形する。
ステップＳ３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の多孔度は、全体的に均一（例えば７０％）である。
【００７１】
ステップＳ５では、図４Ａに示すように、ガス流路２１の形状に対応する三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２と金型３１との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。
【００７２】
ステップＳ６では、図４Ｂに示すように、金型３１，３２を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３２ａが挿入され、三角形の断面形状のガス流路２１が形成される。また、このとき、三角形の断面形状の突起部３２ａはリブ部２２を圧縮する方向に押すので、リブ部２２の多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２の多孔度は、リブ下方領域２３の多孔度よりも低くなる。これにより、図２に示すガス拡散層１４を得ることができる。
【００７３】
なお、図３１Ａ及び図３１Ｂに示すように、金型３２に代えて矩形断面の突起部３３ａを有する金型３３を用いた場合には、突起部３３ａの頂面３３ｂが多孔質部材Ｍ１４を厚み方向に押すことになる。このようにして製造された図３１Ｃに示すガス拡散層１４Ａは、ガス流路２１Ａの下方領域（以下、流路下方領域という）２４Ａの多孔度がリブ部２２Ａ及びリブ下方領域２３Ａよりも低くなる。また、リブ下方領域２３Ａは、流路下方領域２４Ａに隣接するため、突起部３３ａの頂面３３ｂの圧力の影響を受けて、リブ部２２Ａよりも多孔度が低くなる。言い換えれば、リブ部２２Ａの多孔度は、リブ下方領域２３Ａの多孔度よりも高くなる。この場合、リブ部２２Ａの多孔度が高いため、リブ部２３Ａの変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができない一方、リブ下方領域２３Ａ及び流路下方領域２４Ａの多孔度が低いため、ガス拡散性が低下し、その結果、発電性能が低くなる。なお、「流路下方領域」とは、ガス流路の下面の鉛直下方に位置する領域をいう。
【００７４】
なお、金型３１，３２は、圧延機械と一体に構成されていても良いが、圧延機械に着脱可能に構成されている方が取り扱いやすい。また、圧延機械としては、ロールプレス機又は平板プレス機を用いることができる。これらのうち、面精度が高いロールプレス機を用いる方が、ガス拡散層１４の厚さバラツキを低減することができるので好ましい。この場合、一般的なグラビアロール機と同様に、ロールの表面に直接、突起部を有する金型が形成されていることが好ましい。
【００７５】
また、圧延機械による圧延時には、適宜、多孔度の低い多孔質部材を加温するようにしても良い。この場合、加温温度は、２５０℃以下であることが好ましい。加温温度が２５０℃以下であるとき、多孔度の低い多孔質部材が軟化して、ガス流路２１の形成が容易になる。一方、加温温度が２５０℃より高くなると、多孔度の低い多孔質部材が劣化するおそれがある。また、圧延機械の圧延力は、５００ｋｇｆ／ｃｍ２未満であることが好ましい。圧延機械の圧延力は、高いほど、ガス流路２１の形成が容易になるが、多孔度の低い多孔質部材に５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧延力が加わると、割れや材料破壊が生じるおそれがある。
【００７６】
また、圧延機械による圧延後に金型と多孔度の低い多孔質部材とが密着することを防止するために、それらの一方に離型剤をあらかじめ塗布しておいても良い。この離型剤としては、燃料電池の発電性能に影響を及ぼさない範囲で適宜選択可能であるが、蒸留水又は界面活性剤希釈蒸留水を用いることが好ましい。また、離型剤に代えて、ＰＴＦＥ樹脂製のシートを使用しても良い。金型の材質は、ステンレス鋼、チタン合金鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、超硬合金鋼、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２、Ｎｉ−Ｐ硬化クロムなどの工具鋼、セラミックス、ガラス繊維強化プラスチックなどから選択可能である。さらに、金型の表面には、耐食性及び離型性を高めるために、硬質Ｃｒメッキ、ＰＶＤ皮膜、ＴｉＣ皮膜、ＴＤ処理、Ｚｒ溶射処理、ＰＴＦＥコーティングなどの表面処理を施してもよい。前記ロールの表面に直接、突起部を有する金型が形成されている場合も同様である。
【００７７】
本第１実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも低くしているので、リブ部２２の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができ、発電性能を向上させることができる。また、ガス拡散層１４として基材レスガス拡散層を用いたとしても、リブ部２２の多孔度を低くすることによりリブ部２２の変形を抑えることができるので、炭素繊維を基材としたガス拡散層と比べて、製造工程を簡単にすることができ、製造コストを抑えることができる。
【００７８】
また、本第１実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも低くしたガス拡散層１４を、三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２を用いて多孔質部材Ｍ１４を圧延するという簡単な製造方法により製造することができる。
【００７９】
なお、多孔度は、次のようにして測定することができる。
まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の見かけ真密度を算出する。
次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。
次いで、多孔度＝（ガス拡散層の密度）／（見かけ真密度）×１００の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。
以上のようにして、製造したガス拡散層の多孔度を測定することができる。
なお、製造したガス拡散層の細孔径分布を、水銀ポロシメータを用いて測定したところ、累積細孔量から算出できる多孔度と、前記のようにして算出した多孔度とが一致していることを確認している。
【００８０】
なお、本発明は前記第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、金型３２の突起部３２ａの断面形状を三角形として、三角形の断面形状のガス流路２１を形成したが、本発明はこれに限定されない。金型３２の突起部３２ａの断面形状は、先細り形状であればよい。このような形状としては、三角形の他、図５に示すような台形や、図６に示すような五角形、図７に示すような三角形の先端部を丸めた形状などが挙げられる。このような形状であれば、リブ部２２を圧縮する方向に押すことができるので、リブ部２２の多孔度がリブ下方領域２３の多孔度よりも低くなるように製造することが可能になる。
【００８１】
なお、各リブ部２２の多孔度は均一であることが好ましい。これにより、ガス拡散層１４を通過する反応ガスが触媒層１４の全体に均一に供給されることになり、発電性能を向上させることができる。各リブ部２２の多孔度を均一にするためには、左右対称な断面形状の突起部を複数有する金型を用いるとよい。例えば、各突起部の断面形状が三角形である場合、当該三角形は二等辺三角形であることが好ましい。また、各突起部は、等間隔に形成されることが好ましい。さらに、各突起部は、同一形状であることが好ましい。
【００８２】
また、前記では、ステップＳ１〜Ｓ６を行うことによりガス拡散層１４を製造したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各ステップの間に適宜、他の作業が含まれてもよい。また、前記では、ガス拡散層１４の製造工程中に、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するステップＳ１〜Ｓ４の工程が含まれるようにしたが、本発明はこれに限定されない。シート状の多孔質部材Ｍ１４には、あらかじめ作製したものを用いてもよい。すなわち、この場合、ガス拡散層１４は、図８に示すようにステップＳ５及びステップＳ６のみを行うことで製造することができる。
【００８３】
また、図９に示すように、ステップＳ１１〜Ｓ１４を行うことによりガス拡散層１４を製造するようにしてもよい。以下、図９に示すガス拡散層１４の製造方法について説明する。
【００８４】
まず、ステップＳ１１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。
ステップＳ１２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延して、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。
【００８５】
ステップＳ１３では、シート状の多孔質部材Ｍ１４をガス流路２１の形状に対応する三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２と金型３１との間に配置した後、金型３１，３２を型閉じしてシート状の多孔質部材Ｍ１４を圧延する。これにより、シート状の多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３２ａが挿入されて三角形の断面形状のガス流路２１が形成されるとともに、多孔質部材の厚さが調整される。
ステップＳ１４では、ガス流路２１を形成した多孔質部材を焼成して、前記多孔質部材中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
これにより、図２に示すガス拡散層１４を得ることができる。
【００８６】
前記製造方法によれば、混錬物を焼成する前にガス流路２１を形成するようにしているので、混錬物の流動性が高く、疎密の分布ができやすい。従って、前記製造方法によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも、より確実に低くすることができる。
【００８７】
なお、前記では、平板プレス機を用いてシート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ロールプレス機を用いて、シート状の多孔質部材Ｍ１４を連続的に形成（ロール・トゥ・ロール）するようにしてもよい。この場合、ロールプレス機のロール径、ロール幅、及び面精度は、適宜設定可能であるが、ロール径が大きいほど、多孔質部材Ｍ１４にかかる圧力を均一に分散させることができる。また、面精度が高いほど、多孔質部材Ｍ１４の厚さバラツキを低減することが可能である。このため、ロール径が大きく、面精度が高いロールプレス機を使用することが好ましい。
【００８８】
また、前記では、前記混錬物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、前記混錬物を押し出し機に投入し、押し出し機のダイヘッドから連続的にシート成形してシート状の多孔質部材Ｍ１４を製造することもできる。また、押し出し機が備えるスクリューの形状を工夫して、当該スクリューに混練機能を持たせることにより、前記混練機を使わずに前記混錬物を得ることができる。すなわち、この場合、前記各カーボン材料の攪拌、混練、シート成形を一台の機械で一体的に行うことができる。
【００８９】
なお、混練時間、混練機が備える羽の形状、混錬機の容量、各材料の投入量、分散溶媒の配合量、界面活性剤の配合量などによって、各材料（特に高分子樹脂材料）に加わる応力（せん断力）が変化し、その後のシート成形の容易性及び強度に影響がある。一般にせん断力が高いほど、高分子樹脂が高繊維化して導電性粒子同士の結着性を増し、ガス拡散層１４の強度が向上する。しかしながら、せん断力が高過ぎると、混練物が硬い団子状になって、混錬後のシート成形の際に過大な圧力を加える必要性が生じるなど、ガス拡散層の製造が難しくなる。
【００９０】
焼成温度及び焼成時間は、界面活性剤と分散溶媒とが蒸発又は分解する温度及び時間とすることが好ましい。なお、焼成温度が高過ぎる場合には、高分子樹脂が融解し、ガス拡散層１４としての強度が低下して、シート形状が崩れるおそれがある。このため、焼成温度は、高分子樹脂の融点（例えばＰＴＦＥの場合、３３０℃〜３５０℃）以下であることが好ましい。また、界面活性剤の蒸発又は分解温度は、例えば、ＴＧ／ＤＴＡ（示差熱・熱重量同時測定装置）等の分析結果により測定可能であり、一般的には２６０℃以上である。従って、焼成温度は、２６０℃以上であることが好ましい。焼成時間に関しては、焼成炉の仕様（体積、風量、風速など）と焼成枚数などに応じて適宜設定すればよい。
【００９１】
界面活性剤の材料は、カーボン材料及び分散溶媒の種類に応じて適宜選択すればよい。
なお、前記では界面活性剤を使用したが、界面活性剤を使用しなくても、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４は製造可能である。
【００９２】
《第２実施形態》
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１０は、本第２実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図１１は、図１０の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第２実施形態にかかる燃料電池が前記第１実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス流路２１Ｂの断面形状が矩形である点である。本第２実施形態において、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図１１に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
【００９３】
次に、図１１、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照しつつ、本発明の第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例について説明する。図１２は、ガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１３Ａ〜図１３Ｃは、ガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【００９４】
ここでは、金型３２に代えて金型３４を用いる点で前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と異なる。金型３４は、複数の突起部３４ａを有し、当該各突起部３４ａは、第１及び第２突起の一例である２枚の平板３４ｂ，３４ｃで構成されている。平板３４ｂ，３４ｃの少なくとも一方は、他方から離れる方向に移動可能に構成されている。それ以外の点については、前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略し、主に相違点について述べる。
【００９５】
まず、ステップＳ２１では、図１３Ａに示すように、多孔質部材Ｍ１４を金型３１，３４間に配置する。
ステップＳ２２では、図１３Ｂに示すように、金型３１，３４を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に各突起部３４ａが挿入される。
ステップＳ２３では、図１３Ｃに示すように、突起部３４ａを構成する平板３４ｂ，３４ｃを多孔質部材Ｍ１４の面方向であって互いに離れる方向に移動させる。これにより、多孔質部材Ｍ１４に複数の矩形断面のガス流路２１Ｂが形成される。このとき、各平板３４ｂ，３４ｃは、リブ部２２Ｂを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｂの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなる。これにより、図１１に示すガス拡散層１４Ｂを得ることができる。
【００９６】
本第２実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くしているので、リブ部２２の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができ、発電性能を向上させることができる。
【００９７】
また、前記第１実施形態の製造方法を利用してガス流路２１の断面形状を矩形にしようとした場合には、一旦、金型３１，３２を型開きした後、ガス流路２１の周囲を削るなどの工程が必要である。これに対して、本第２実施形態によれば、金型３１，３４を型閉じしたまま、矩形断面のガス流路２１Ｂを形成することができ、製造工程を減らすことができる。
【００９８】
また、金型３４における２枚の平板３４ｂ，３４ｃにつき、その先端部のみが重なり合い、その末端部においては離れるように配置された金型（図示せず）を用いることで、台形の断面形状を有するガス流路２１を容易に製造することができる。
【００９９】
なお、流路下方領域２４Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３の多孔度と同様に、６５％以上８０％未満であることが好ましい。流路下方領域２４Ｂの多孔度が６５％未満である場合には、ガス透過性が低下して、ガス拡散層１４の厚み方向に反応ガスが流れにくくなり、ガス流路２１Ｂリブ部２２の鉛直下方での発電が困難になる。一方、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層の多孔度を８０％以上とすることは、製造プロセス上、困難である。仮に、多孔度８０％以上のガス拡散層を製造することができたとしても、強度が著しく低下し、ガス拡散層としての機能（特に耐久性）を果すことができない。
【０１００】
次に、前記製造方法の一例について詳細に説明する。
【０１０１】
まず、図１３Ａに示すような４つの突起部３４ａを有する金型３４を用意する。突起部３４ａは、チタン合金製の２枚の平板３４ｂ，３４ｃで構成し、１．５ｍｍ間隔で配置する。平板３４ｂ，３４ｃとしては、図１４に示すような厚さＴ１が０．０５ｍｍ、高さＨ１が０．６ｍｍ、幅Ｗ１が５００ｍｍの平板をそれぞれ用いる。金型３４としては、平板３４ｂ，３４ｃを互いに離れる方向に移動させることができるように、精密な駆動機構を組み込んだ金型を用いる。
【０１０２】
次いで、図１３Ａに示すように、金型３１と金型３４との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。多孔質部材Ｍ１４は、多孔度７０％、厚さ１ｍｍのものを用いる。
次いで、図１３Ｂに示すように、金型３１と金型３４とを型閉じし、各突起部３４ａを、平板３４ｂと平板３４ｃとが互いに接触した状態で多孔質部材Ｍ１４内に挿入する。
【０１０３】
次いで、金型３４内に組み込んだ駆動機構を駆動させて、図１３Ｃに示すように、平板３４ｂと平板３４ｃとを多孔質部材Ｍ１４の面方向であって互いに離れる方向にそれぞれ約５００μｍ移動させる。これにより、流路幅が１ｍｍ、流路深さが０．６ｍｍであるストレート形状のガス流路２１を４本同時に形成する。なお、リブ部２２の幅は０．５ｍｍとする。
【０１０４】
前記のようにしてガス拡散層１４Ｂを製造してリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４８％となる。
【０１０５】
なお、前記では、金型３４に４つの突起部３４ａを設け、当該４つの突起部３４ａを全て多孔質部材Ｍ１４内に挿入することにより、４本のガス流路２１Ｂを同時に形成するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金型３４に突起部３４ａを１つだけ設け、当該１つの突起部３４ａを多孔質部材Ｍ１４内に逐次挿入することにより、４本のガス流路２１Ｂを別々に形成するようにしてもよい。なお、前記のようにして製造したガス拡散層１４Ｂのリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４９％となる。
【０１０６】
また、本第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂは、図１５Ａ〜図１５Ｃに示す製造方法によっても製造することができる。以下、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すガス拡散層１４Ｂの製造方法について説明する。
【０１０７】
ここでは、金型３２に代えて金型３５を用いる点で前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と異なる。金型３５には、突起部の一例である複数の平板３５ａが設けられている。各平板３５ａは、多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動可能に構成されている。それ以外の点については、前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略し、主に相違点について述べる。
【０１０８】
まず、図１５Ａに示すように、多孔質部材Ｍ１４を金型３１，３５間に配置する。
次いで、図１５Ｂに示すように、金型３１，３５を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に各平板３５ａが挿入される。
次いで、図１５Ｃに示すように、多孔質部材Ｍ１４内に挿入した各平板３５ａを、多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動させる。これにより、多孔質部材Ｍ１４に矩形断面のガス流路２１Ｂが形成される。このとき、各平板３５ａは、リブ部２２Ｂを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｂの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなる。これにより、図１１に示すガス拡散層１４Ｂを得ることができる。
【０１０９】
次に、前記製造方法の一例について詳細に説明する。
【０１１０】
まず、図１５Ａに示すような４つの平板３５ａを有する金型３５を用意する。平板３５ａは、チタン合金製の平板で構成し、１．５ｍｍ間隔で配置する。平板３５ａとしては、図１４に示すような厚さＴ１が０．０５ｍｍ、高さＨ１が０．６ｍｍ、幅Ｗ１が５００ｍｍの平板を用いる。金型３５としては、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動させることができるように、精密な駆動機構を組み込んだ金型を用いる。
【０１１１】
次いで、図１５Ａに示すように、金型３１と金型３５との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。多孔質部材Ｍ１４は、多孔度７０％、厚さ１ｍｍのものを用いる。
次いで、図１５Ｂに示すように、金型３１と金型３５とを型閉じし、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４内に挿入する。
【０１１２】
次いで、金型３５内に組み込んだ駆動機構を駆動させて、図１５Ｃに示すように、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４の面方向に約１．０ｍｍ移動させる。これにより、流路幅が１ｍｍ、流路深さが０．６ｍｍであるストレート形状のガス流路２１を４本同時に形成する。なお、リブ部２２の幅は０．５ｍｍとする。
【０１１３】
前記のようにしてガス拡散層１４Ｂを製造してリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４８％となる。
【０１１４】
《第３実施形態》
本発明の第３実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１６は、本第３実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図１７は、図１６の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第３実施形態にかかる燃料電池が前記第１実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス拡散層１４Ｃのガス流路２１Ｃの断面形状がアーチ型である点である。それ以外の点については、前記第１実施形態にかかる燃料電池と同様に構成されている。すなわち、ガス拡散層１４Ｃは、リブ部２２Ｃの多孔度がリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図１７に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
【０１１５】
本第３実施形態によれば、ガス流路２１Ｃの断面形状をアーチ型にしているので、ガス拡散層１４Ｃの全体に締結圧が加わった場合に、アーチ状のガス流路２１Ｃの側壁がリブ部２２Ｃ側に広がっていく方向（面方向）にも応力が発生する。これにより、リブ部２２Ｃが更に密になり、当該断面形状を矩形とする場合よりもリブ部２２Ｃが変形しにくくなる。従って、セル１の組立時に加わる締結圧に対するリブ部２２の強度を向上させることができる。これにより、セル１の組立時に加わる締結圧によるガス流路２１Ｃの断面積の減少を抑えることができ、発電性能を一層向上させることができる。
【０１１６】
なお、アーチ型の断面形状には、図１８に示すように、底部１４ａａのコーナー部がＲ形状である断面形状が含まれる。また、アーチ型の断面形状には、図１９に示すように、円弧状の断面形状が含まれる。
【０１１７】
次に、図１７、図２０、図２１Ａ、及び図２１Ｂを参照しつつ、本発明の第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例について説明する。図２０は、本発明の第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｃの製造方法の一例を示すフローチャートである。図２１Ａ及び図２１Ｂは、その製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【０１１８】
まず、ステップＳ３１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。
ステップＳ３２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延してシート状に成形する。
ステップＳ３３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ３４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。
なお、ステップＳ３１〜Ｓ３４は、前記ステップＳ１〜Ｓ４と同様である。
【０１１９】
ステップＳ３５では、図２１Ａに示すように、ガス流路２１Ｃの形状に対応するアーチ型の断面形状の突起部３６ａを有する金型３６と金型３１との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。
【０１２０】
ステップＳ３６では、図２１Ｂに示すように、金型３１，３６を型閉じして圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３６ａが挿入され、アーチ型の断面形状のガス流路２１Ｃが形成される。また、このとき、アーチ型の断面形状の突起部３６ａはリブ部２２Ｃを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｃの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｃの多孔度は、リブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなる。これにより、図１７に示すガス拡散層１４Ｃを得ることができる。
【０１２１】
なお、アーチ型の曲率等によっては、リブ部２２Ｃの多孔度をリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くすることが困難な場合がある。このため、リブ部２２Ｃの多孔度がリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなるように、アーチ型の曲率等の各種寸法を設定するよう留意すべきである。
【０１２２】
次に、本第３実施形態にかかるアーチ型のガス流路２１Ｃを備えたガス拡散層１４Ｃの作用、効果を検証するために行った実験結果について説明する。
【０１２３】
ここでは、図３２に示す矩形断面のガス流路２２１を備える従来のガス拡散層２１４と、図１８及び図１９に示すアーチ型のガス流路２１Ｃを備える本第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｃの３つのガス拡散層を用意した。そして、図２２に示すように、それらのガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１側の主面に、セパレータ２０を取り付けた後、所定の圧力で加圧し、ガス流路の断面積の変化を検証した。
【０１２４】
このとき、図１８、図１９、及び図３２に示す各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１の各断面積は、約０．３３ｍｍ２となるように設定した。具体的には、各種寸法を次のように設定した。図３２に示す従来のガス拡散層２１４のガス流路２２１の幅Ｌは１．１ｍｍとし、深さＤは０．３ｍｍとした。図１８に示す本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ａのガス流路２１ａの上部１４ａｂの幅Ｌａは１．１ｍｍとし、深さＤａは０．３３５１ｍｍとし、底部１４ａｂのコーナー部のＲ形状部分の半径Ｒａは０．３ｍｍとした。図１９に示す本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂのガス流路２１ｂの上部１４ｂｂの幅Ｌｂは１．１ｍｍとし、深さは０．３９ｍｍとし、円弧部分の半径Ｒｂは１．３ｍｍとした。また、各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４及びセパレータ２０の長さＬ１は、３０．３５ｃｍとした。各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のヤング率は２．７８ＭＰａとし、ポアソン比は０．３とした。セパレータ２０のヤング率は９０００ＭＰａとし、ポアソン比は０．３とした。図２２に示す圧力Ｐは、２．０ｋｇｆ／ｃｍ２に設定した。
【０１２５】
【表１】
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【０１２６】
表１は、各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１の加圧前の断面積と、加圧後の断面積と、加圧前後の断面積の比を示している。
【０１２７】
表１により、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ａが従来のガス拡散層２１４に比べてガス流路の断面積の減少を３．９％（＝８０．５％−７６．６％）抑える効果を有することがわかる。また、表１により、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂが、従来のガス拡散層２１４に比べてガス流路の断面積の減少を４．８％（＝８１．４％−７６．６％）抑える効果を有することがわかる。
【０１２８】
図２３は、ガス流路の上部の流路幅を１．１ｍｍで固定したときの、ガス流路の深さに対する圧力損失の割合を示すグラフである。
【０１２９】
ここで、各ガス拡散層１４ｂ，２１４のガス流路２１ｂ，２２１の加圧前の深さを０．３ｍｍとした場合において、圧力Ｐを２．０ｋｇｆ／ｃｍ２として加圧すると、ガス流路２１ｂ，２２１の加圧後の深さＤｂ，Ｄは次のようになる。すなわち、ガス流路２１ｂの加圧後の深さＤｂは、０．２４３ｍｍ（＝０．３ｍｍ×８１．４％）となり、ガス流路２２１の加圧後の深さＤは、０．２２８ｍｍ（＝０．３ｍｍ×７６．６％）となる。
【０１３０】
図２３において、ガス流路の深さが０．２４３ｍｍのとき、圧力損失は約１．７ｋＰａである。図２３において、ガス流路の深さが０．２２８ｍｍのとき、圧力損失は約２．０ｋＰａである。これにより、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂが従来のガス拡散層２１４に比べて０．３ｋＰａ（＝２．０ｋＰａ−１．７ｋＰａ）の圧力損失を低減する効果を有することがわかる。なお、圧力損失を０．３ｋＰａ低減することで、約１Ｗの消費電力を削減することができる。
【０１３１】
なお、前記では、ガス流路２１Ｃの断面形状をアーチ型としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス流路２１Ｃの断面形状は、図２４に示すような台形であってもよいし、図２５に示すような五角形であってもよい。また、ガス流路２１の断面形状は、図２６に示すような三角形の先端部を丸めたような形状であってもよい。すなわち、ガス流路２１の断面形状は、触媒層１３側に位置する底部からセパレータ２０側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなっていればよい。このような断面形状であっても、従来よりもリブ部の変形を抑えることができる。
【０１３２】
また、ガス流路の全てがアーチ型である必要はなく、少なくとも一部がアーチ型であればよい。この場合でも、従来に比べて発電性能を向上させることができる。なお、ボルトなどの締結部材によりセル１を加圧締結する場合、当該締結部材は、通常、ガス拡散層１４Ｃの外周部を貫通するように挿入される。このため、特にガス流路２１Ｃの外周部に、大きな圧力がかかり易い。従って、ガス拡散層１４Ｃの主面の中心側に位置するガス流路に比べて、ガス拡散層１４Ｃの主面の外周側に位置するガス流路の方が閉塞され易い。このため、例えば、図２７に示すように、ガス拡散層１４Ｃの両端部側に位置するガス流路をアーチ型の断面形状を有するガス流路２１Ｃとし、それらの間に位置するガス流路を矩形断面を有する従来のガス流路２２１としてもよい。また、図２８に示すように、直線状に伸びる複数のガス流路を、それぞれ、アーチ型の断面形状を有するガス流路２１Ｃである部分と、矩形断面を有する従来のガス流路２２１である部分とで構成するようにしてもよい。
【０１３３】
また、前記では、アノード側及びカソード側の両方に、本発明にかかる流路付きガス拡散層を配置したが、本発明はこれに限定されない。アノード側及びカソード側の少なくとも一方に、本発明にかかる流路付きガス拡散層を配置した構造としてもよい。
【０１３４】
カソード電極（空気極）の酸化剤ガス流路は、アノード電極（燃料極）の燃料ガス流路に比べて複雑な形状である方が、燃料電池の発電性能は高くなりやすい。しかしながら、金属、あるいはカーボンと樹脂とで構成された従来のセパレータに複雑な形状のガス流路を設けることは困難である。これに対して、本発明にかかる流路付きガス拡散層は、基材レスガス拡散層で構成されているので、ガス流路の形成が容易である。従って、例えば、図２９に示すように、アノード側には、従来のアノードガス拡散層１１４と、燃料ガス流路１２１を設けた従来の溝状のガス流路が形成されたセパレータ１２０とを配置し、カソード側にのみ、ガス流路２１を有する本発明のカソードガス拡散層１４と、少なくとも膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有するセパレータ２０とを配置するようにしてもよい。平坦とは、カソードセパレータの面方向において、巨視的に見て、凹凸が形成されていない形状をいい、例えば、プレス機や切削機で反応ガス流路となるような凹凸を形成されていない形状をいう。このような構成によっても、従来の構成に比べて、燃料電池の発電性能の一層向上させることができる。
【０１３５】
なお、この場合、アノードガス拡散層１１４の多孔度は、カソードガス拡散層１４の多孔度より低いことが好ましい。これにより、アノードガス拡散層１１４の保水性をカソードガス拡散層１４の保水性に比べて高くすることができる。また、カソードガス拡散層１４のガス拡散性をアノードガス拡散層１１４のガス拡散性に比べて高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明にかかる膜電極接合体及びその製造方法は、燃料電池の発電性能の一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。【０１３７】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。【０１３８】
２０１０年８月９日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００９−２０１３８６号及び２０１０−１７８３２１号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2011027539.tif 000039
【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
2011027539.tif 000041
【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月15日(2011.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスとして、純水素、メタノールなどの液体燃料、あるいは、化石燃料などからの改質水素などの還元剤を用い、酸化剤ガスとして、空気（酸素）などを用いる燃料電池に関し、より詳しくは、当該燃料電池が備える膜電極接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、白金などの触媒層を有するガス拡散層で電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
図３０は、従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。高分子電解質形燃料電池の単電池（セルともいう）１００は、膜電極接合体１１０（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）と、ＭＥＡ１１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ１２０，１２０とを有している。
【０００４】
ＭＥＡ１１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（イオン交換樹脂膜）１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２とを備えている。一対の電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１１４（ＧＤＬともいう）とを有している。ガス拡散層１１４は、炭素繊維からなる基材１１５と、カーボンと撥水材からなるコーティング層（撥水カーボン層）１１６とで構成されている。
【０００５】
一対のセパレータ１２０，１２０にはそれぞれ、ガス拡散層１１４と当接する主面に、反応ガスである燃料ガス又は酸化剤ガスを流すための矩形断面のガス流路１２１が設けられている。一方のセパレータ１２０に設けられたガス流路１２１は、燃料ガスを流すための燃料ガス流路であり、他方のセパレータに設けられたガス流路１２１は、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路である。また、一対のセパレータ１２０，１２０の互いに隣接する面には、冷却水などが通る冷却水流路１２２が設けられている。一方のガス流路１２１を通じて一方の電極層１１２に燃料ガスが供給されるとともに、他方のガス流路１２１を通じて他方の電極層１１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【０００６】
前記のように構成されるセル１００は、図３０に示すように１つ以上積層され、互いに隣接するセル１００を電気的に直列に接続されて使用されるのが一般的である。なお、このとき、互いに積層されたセル１００は、反応ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材１３０により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡ１１０とセパレータ１２０とは所定の圧力で面接触することになる。このとき、セパレータ１２０は、互いに隣接するＭＥＡ１１０，１１０同士を電気的に直列に接続するための集電性を有する。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、一対のセパレータ１２０，１２０の間には、触媒層１１３とガス拡散層１１４の側面を覆うようにシール材（ガスケット）１１７が配置されている。
【０００７】
近年、燃料電池の分野においては、より一層の低コスト化が求められており、各構成部材の単価の低減、部品点数の削減などの観点から、様々な低コスト化の技術が提案されている。その１つとして、ガス流路１２１を、セパレータ１２０に設けるのではなく、ガス拡散層１１４に設ける技術が提案されている。
【０００８】
図３０に示す従来の燃料電池においては、セパレータ１２０にガス流路１２１を設けている。この構成を実現する方法としては、例えば、セパレータ１２０の材料としてカーボンと樹脂とを用い、これらを、ガス流路１２１の形状に対応する矩形断面の凸部を有する金型を用いて射出成形する方法がある。しかしながら、この場合、製造コストが高いという課題がある。また、前記構成を実現する別の方法として、セパレータ１２０の材料として金属を用い、ガス流路１２１の形状に対応する矩形断面の凸部を有する金型を用いて当該金属を圧延する方法がある。しかしながら、この場合、前記射出成形法に比べて低コスト化を実現することができる一方で、セパレータ１２０が腐食しやすく、燃料電池としての発電性能が低下するという課題がある。
【０００９】
一方、ガス拡散層１１４は、ガス拡散性を備えるようにするために、多孔質部材で構成される。このため、ガス流路１２１をガス拡散層１１４に形成することの方がセパレータに形成することに比べて容易であり、低コスト化及び高発電性能化を図るのに有利である。このような構成を有するガス拡散層としては、例えば、特許文献１（特開２００６−３３９０８９号公報）に記載されたものがある。
【００１０】
特許文献１には、直方体状に伸長された複数の流路型を備えた成型治具を用いて炭素繊維を基材とした多孔質部材を抄紙法によって成型し、当該成型後に前記成型治具を抜き取ることによって、ガス拡散層の内部にガス流路を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−３３９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、燃料電池においてはより一層の発電性能の向上が求められており、前記従来の構成では、発電性能が十分でないという課題がある。
【００１３】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、燃料電池の発電性能の一層向上させることができる膜電極接合体及びその製造方法、及び当該膜電極接合体を備えた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するようの複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる膜電極接合体によれば、互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低いので、リブ部の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えて、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図３】図３は、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図４Ａ】図４Ａは、図１に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図５】図５は、金型の断面形状の第１変形例を示す断面図であり、
【図６】図６は、金型の断面形状の第２変形例を示す断面図であり、
【図７】図７は、金型の断面形状の第３変形例を示す断面図であり、
【図８】図８は、図３に示す製造方法とは別の製造方法を示すフローチャートであり、
【図９】図９は、図３及び図８に示す製造方法とは別の製造方法を示すフローチャートであり、
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図１１】図１１は、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図１２】図１２は、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１０に示す燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１３Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図１４】図１４は、金型に設けられた突起部を構成する平板を示す斜視図であり、
【図１５Ａ】図１５Ａは、図１３Ａ〜図１３Ｃに示す製造方法とは別の製造方法を模式的に示す説明図であり、
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図１６】図１６は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図１７】図１７は、図１６に示す燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図であり、
【図１８】図１８は、アーチ型の断面形状のガス流路の一例を模式的に示す説明図であり、
【図１９】図１９は、アーチ型の断面形状のガス流路の他の例を模式的に示す説明図であり、
【図２０】図２０は、図１６に示すガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートであり、
【図２１Ａ】図２１Ａは、図１６に示すガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す説明図であり、
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図２２】図２２は、ガス拡散層にセパレータを取り付けた状態を示す図であり、
【図２３】図２３は、ガス流路の深さに対する圧力損失の割合を示すグラフであり、
【図２４】図２４は、ガス流路の断面形状の第１変形例を示す断面図であり、
【図２５】図２５は、ガス流路の断面形状の第２変形例を示す断面図であり、
【図２６】図２６は、ガス流路の断面形状の第３変形例を示す断面図であり、
【図２７】図２７は、ガス流路の第１変形例を示す平面図であり、
【図２８】図２８は、ガス流路の第２変形例を示す平面図であり、
【図２９】図２９は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の変形例を示す模式断面図であり、
【図３０】図３０は、従来の燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図３１Ａ】図３１Ａは、比較例にかかるガス拡散層の製造方法を模式的に示す説明図であり、
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、図３１Ａに続く工程を示す説明図であり、
【図３１Ｃ】図３１Ｂは、図３１Ｂに続く工程を示す説明図であり、
【図３２】図３２は、従来のガス拡散層のガス流路の断面形状を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、従来の燃料電池において十分な発電性能を得られない原因を鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
【００１８】
ガス拡散層にガス流路を形成した場合、互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部も多孔質部材で構成されることになる。特許文献１のように炭素繊維を基材とした多孔質部材でガス拡散層を構成した場合、その多孔度は通常８０％以上と高くなる。このため、リブ部の内部を反応ガスが透過（ショートカット）して反応ガスがガス流路の形状に沿って流れず、その結果、十分な発電性能が得られていないことに本発明者らは気付いた。また、リブ部が多孔質部材で構成されることにより、セルの組立時に加わる締結圧によってリブ部が変形し、ガス流路の断面積が過剰に小さくなることに本発明者らは気付いた。ガス流路の断面積が小さくなった場合、反応ガスが電極層に十分に供給されず、発電性能が低下することになる。
【００１９】
前記課題は、ガス拡散層の多孔度を低くする（密度を高くする）ことで改善することができるように思われる。しかしながら、ガス拡散層の多孔度を低くすると、ガス拡散性が低下するので、結果として燃料電池の発電性能が低くなるおそれがある。また、ガス拡散層の低多孔度化（８０％以下）は、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層を構成すると容易である。しかしながら、炭素繊維を基材として用いずに構成したガス拡散層（以下、基材レスガス拡散層という）は、強度が弱いという課題がある。このため、セルの組立時に加わる締結圧によってリブ部が一層変形しやすくなる。
【００２０】
これらの課題に対して、本発明者らは、ガス拡散層全体の多孔度を低くするのではなく、単一のガス拡散層において多孔度を部分的に異ならせることにより、発電性能を向上させることができることを見出した。具体的には、本発明者らは、リブ部の多孔度を低くすることによりリブ部の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑える一方、リブ部の下方領域の多孔度をリブ部の多孔度よりも高くすることによりガス拡散性を確保し、結果として発電性能を向上させることができることを見出した。
これらの知見に基づき、本発明者らは、以下の本発明に想到した。
【００２１】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
【００２２】
本発明の第２態様によれば、前記リブ部の多孔度が、前記第２主面側に位置する前記ガス流路の下方領域の多孔度よりも低い、第１態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、前記ガス流路の少なくとも一部は、前記第２主面側に位置する底部から前記第１主面側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、第１又は２態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、前記ガス拡散層の第１主面の中心側に位置するガス流路は、矩形の断面形状を有し、
前記ガス拡散層の第１主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
第３態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２５】
本発明の第５態様によれば、前記ガス流路の全部が、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、第３態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００２６】
本発明の第６態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、三角形である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２７】
本発明の第７態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、アーチ型である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２８】
本発明の第８態様によれば、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、台形である、第３〜５態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体を提供する。
【００２９】
本発明の第９態様によれば、第１〜８態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する１対のセパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜８態様のいずれか１つに記載の膜電極接合体と、
前記ガス拡散層の前記第２主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第１セパレータと、
前記集電板と対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第２セパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
【００３１】
本発明の第１１態様によれば、第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３２】
本発明の第１２態様によれば、前記突起部の断面形状が三角形である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３３】
本発明の第１３態様によれば、前記突起部の断面形状がアーチ型である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３４】
本発明の第１４態様によれば、前記突起部の断面形状が台形である、第１１態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３５】
本発明の第１５態様によれば、第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第１主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３６】
本発明の第１６態様によれば、前記突起部は、第１突起と第２突起とを有し、
前記ガス流路は、前記第１突起と前記第２突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、第１５態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
【００３７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
《第１実施形態》
図１を用いて、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成について説明する。図１は、本第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
【００３９】
本第１実施形態にかかる燃料電池は、図１に示すように、膜電極接合体１０（以下、ＭＥＡという）と、ＭＥＡ１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ２０，２０とを有するセル（単電池）１を備えている。なお、本第１実施形態にかかる燃料電池は、このセル１を複数個積層して構成されてもよい。この場合、互いに積層されたセル１は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材（図示せず）により所定の締結圧にて加圧締結されることが好ましい。
【００４０】
ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層１２，１２は、高分子電解質膜１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１３と、当該触媒層１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１４とを有している。
【００４１】
ガス拡散層１４には、セパレータ２０と当接する主面に、反応ガスを流すためのガス流路２１が設けられている。アノード電極側のガス流路２１は、燃料ガスを流すための燃料ガス流路であり、カソード電極側のガス流路２１は、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路である。燃料ガス流路を通じてアノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路を通じてカソード電極に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。互いに隣接するガス流路２１，２１を隔てるリブ部２２の先端は、所定の圧力（例えば２ｋｇｆ／ｃｍ２）でセパレータ２０に接している。これにより、ガス流路２１外に反応ガスが流れること（外部リーク）が防止されている。
【００４２】
セパレータ２０は、ガス透過性が低い金属などの材料で構成されている。なお、セパレータ２０には、冷却水などが通る冷却水流路（図示せず）が設けられていてもよい。セパレータ２０と高分子電解質膜１１との間には、反応ガスが外部に漏れるのを防ぐために、触媒層１３及びガス拡散層１４の側面を覆うようにシール材としてガスケット１５が配置されている。
【００４３】
なお、ガスケット１５は、一対のセパレータ２０，２０の間に、高分子電解質膜１１と触媒層１３とガス拡散層１４の側面を覆うように配置してもよい。これにより、高分子電解質膜１１の劣化を抑制し、ＭＥＡ１０のハンドリング性、量産時の作業性を向上させることができる。また、ガスケット１５は、その一部がガス拡散層１４に含浸している方が、発電耐久性及び強度の観点から好ましい。
【００４４】
ガスケット１５の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、ガスケット１５の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。
【００４５】
次に、図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかるガス拡散層１４の構成についてさらに詳細に説明する。図２は、ガス拡散層１４の拡大斜視図である。なお、図２に示す複数の黒丸は、多孔度（密度）の違いを示すために便宜的に付したものである。
【００４６】
ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いずに構成した基材レスガス拡散層で構成されている。具体的には、ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。ここで「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用することなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を構成する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれても良いことも意味する。
【００４７】
また、ガス拡散層１４は、互いに隣接するガス流路２１，２１を隔てるリブ部２２の多孔度がリブ部２２の下方領域（以下、リブ下方領域という）２３の多孔度よりも低く形成されている。言い換えれば、ガス拡散層１４は、リブ部２２の密度が「密」、リブ下方領域２３の密度が「疎」になるように形成されている。例えば、リブ部２２を除くガス拡散層１４の全体の多孔度は７０％に設定され、リブ部２２の多孔度は４０％〜５０％に設定されている。なお、ここで「リブ下方領域」とは、リブ部２２の鉛直下方に位置する領域をいう。また、ここでは、便宜上、セパレータ２０側を「上」、触媒層１３側を「下」と方向付けして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
ガス拡散層１４を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。
【００４９】
また、前記導電性粒子は、平均粒子径が異なる２種類のカーボン材料を混合して構成されることが好ましい。これにより、平均粒子径が大きな粒子同士の隙間に平均粒子径が小さな粒子が入り込むことができるので、ガス拡散層１４の全体の多孔度を低く（例えば、６０％以下）することが可能になる。充填構造を作製しやすい導電性粒子としてはグラファイトが挙げられる。従って、導電性粒子は、アセチレンブラックとグラファイトとを混合して構成されることが好ましい。
【００５０】
なお、アセチレンブラックの平均粒子径Ｄ５０（相対粒子量が５０％の時の粒子径：メディアン径ともいう）を、レーザ回折式粒度測定装置マイクロトラックＨＲＡを使用して測定したところ、Ｄ５０＝５μｍであった。また、アセチレンブラックと同様にして、グラファイトの粒子径Ｄ５０を測定したところ、Ｄ５０＝１６μｍであった。これらの平均粒子径の測定は、１０ｗｔ％の界面活性剤を含有した蒸留水にアセチレンブラック又はグラファイトの粒子を分散させ、粒度分布が安定した時点で行った。
【００５１】
なお、前記導電性粒子を３種類以上のカーボン材料を混合して構成すると、分散、混練、圧延条件などの最適化が困難である。このため、前記導電性粒子は、２種類のカーボン材料を混合して構成することが好ましい。
【００５２】
また、カーボン材料の原料形態としては、例えば、粉末状、繊維状、粒状などが挙げられる。それらの中でも粉末状がカーボン材料の原料形態として採用されることが、分散性、取り扱い性の観点から好ましい。
【００５３】
ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂は、前記導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。
【００５４】
前記高分子樹脂の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でも高分子樹脂の材料としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。
【００５５】
リブ部２２の多孔度は、２０％以上５０％未満であることが好ましい。リブ部２２の多孔度が２０％未満である場合には、リブ部２２のガス拡散性が低下して、特にリブ下方領域２３に反応ガスが到達しなくなり、発電性能が低下するおそれがある。一方、リブ部２２の多孔度が５０％以上である場合には、リブ部２２の強度が低下して、リブ部２２が変形し易くなる。また、この場合、リブ部２２の内部を透過する反応ガスの量が多くなりすぎて、ガス流路２１を流れるガスの量が減ってしまい、電極面内全体（特に下流領域）に均一に反応ガスを分配することが困難になる。
【００５６】
リブ下方領域２３の多孔度は、６５％以上８０％未満であることが好ましい。リブ下方領域２３の多孔度が６５％未満である場合には、ガス透過性が低下して、ガス拡散層１４の厚み方向に反応ガスが流れにくくなり、リブ部２２の鉛直下方での発電が困難になる。一方、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層の多孔度を８０％以上とすることは、製造プロセス上、困難である。仮に、多孔度８０％以上のガス拡散層を製造することができたとしても、強度が著しく低下し、ガス拡散層としての機能（特に耐久性）を果すことができない。
【００５７】
ガス流路２１の幅は、電極面積、ガス流量、電流密度、加湿条件、セル温度などにより最適値は大きく異なるが、流路幅が最も広くなっている部位において、０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内、特に０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。ガス流路２１の幅が０．１ｍｍ未満である場合には、燃料電池において通常流される反応ガスの量に対してガス流路２１の幅が十分でない可能性がある。一方、ガス流路２１の幅が３．０ｍｍより大きい場合には、反応ガスがガス流路２１の全体に流れなくなり、反応ガスの滞留が生じてフラッディングが起こる可能性がある。
【００５８】
ガス流路２１の深さは、電極面積、ガス流量、電流密度、加湿条件、セル温度などにより大きく異なるが、０．０１５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内、特に０．０３ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲内であることが好ましい。ガス流路２１の深さが０．０１５ｍｍ未満である場合には、燃料電池において通常流される反応ガスの量に対してガス流路２１の深さが十分でない可能性がある。一方、ガス流路２１の深さが２．０ｍｍより大きい場合には、反応ガスがガス流路２１の全体に流れなくなり、反応ガスの滞留が生じてフラッディングが起こる可能性がある。
【００５９】
リブ部２２の幅は、最も細くなっている部位において、０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内、特に０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。リブ部２２の幅が０．１ｍｍ未満である場合は、リブ部２２の強度が低下して、リブ部２２が変形し易くなる。一方、リブ部２２の幅が３．０ｍｍより大きい場合には、リブ部２２の鉛直下方の面積が大きくなるため、反応ガスが第１拡散層内で均一に拡散されず、面内発電分布にバラツキが生じるおそれがある。
【００６０】
リブ下方領域２３の厚さは、ガス利用率、電流密度、加湿条件、セル温度などにより最適値は大きく異なるが、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内、特に０．１ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００６１】
ガス拡散層１４に形成されるガス流路２１は、図１に示すように、三角形の断面形状を有している。ガス拡散層１４に形成されるガス流路２１の平面形状（パターン）は、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていたガス流路の形状と同様に形成することができる。このようなガス流路の平面形状としては、例えばストレート型、サーペンタイン型等が挙げられる。
【００６２】
なお、ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いることなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）であればよい。従って、ガス拡散層１４には、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、ガス拡散層１４の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール、及びエタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどのグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。
【００６３】
また、ガス拡散層１４には、基材としては成立しない重量（例えば、導電性粒子及び高分子樹脂よりも少ない重量）の炭素繊維が含まれていてもよい。炭素繊維には、補強効果があるので、炭素繊維の配合比率を高くすることによって、強度の高いガス拡散層を製造することができる。
【００６４】
前記炭素繊維の材料としては、例えば、気相成長法炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。前記炭素繊維としてＶＧＣＦを使用する場合、例えば、繊維径０．１５μｍ、繊維長１５μｍのものを使用すればよい。また、前記炭素繊維としてミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーを使用する場合、例えば、繊維径５〜２０μｍ、繊維長２０μｍ〜１００μｍであるものを使用すればよい。
【００６５】
前記ミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーの原料は、ＰＡＮ系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでもよい。また、前記ファイバーは、原糸（長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル）を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分散させて使用することが好ましい。
【００６６】
前記炭素繊維の配合量は、高分子樹脂よりも少ない重量であることが好ましい。基材レスガス拡散層の高強度化には炭素繊維を少量配合することでも十分に効果がある。前記炭素繊維の配合量を高分子樹脂よりも多くすると、炭素繊維が膜を突き刺し、膜劣化が生じて性能低下する懸念が生じやすくなる。また、コストが高くなる要因になる。また、ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いなければよく、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維とで支持される自己支持体構造であってもよい。
【００６７】
炭素繊維の配合比率は、２．０重量％以上１０．０重量％以下であることが好ましい。炭素繊維の配合比率が２．０重量％未満である場合には、内部抵抗値が急激に高くなり、発電効率が低下するおそれがある。一方、炭素繊維の配合比率が１０．０重量％より大きい場合には、炭素繊維は高分子電解質膜１１よりも通常硬い材料で構成されるので、高分子電解質膜１１が損傷して、燃料電池としての耐久性が低下するおそれがある。
【００６８】
次に、図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照しつつ、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４の製造方法の一例について説明する。図３は、本第１実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートである。図４Ａ及び図４Ｂは、その製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【００６９】
まず、ステップＳ１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。より具体的には、導電性粒子と界面活性剤と分散溶媒とを攪拌・混錬機に投入し、それらを混錬して粉砕及び造粒する。この後、それらの混錬物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混錬機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。
【００７０】
ステップＳ２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延してシート状に成形する。
ステップＳ３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の多孔度は、全体的に均一（例えば７０％）である。
【００７１】
ステップＳ５では、図４Ａに示すように、ガス流路２１の形状に対応する三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２と金型３１との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。
【００７２】
ステップＳ６では、図４Ｂに示すように、金型３１，３２を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３２ａが挿入され、三角形の断面形状のガス流路２１が形成される。また、このとき、三角形の断面形状の突起部３２ａはリブ部２２を圧縮する方向に押すので、リブ部２２の多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２の多孔度は、リブ下方領域２３の多孔度よりも低くなる。これにより、図２に示すガス拡散層１４を得ることができる。
【００７３】
なお、図３１Ａ及び図３１Ｂに示すように、金型３２に代えて矩形断面の突起部３３ａを有する金型３３を用いた場合には、突起部３３ａの頂面３３ｂが多孔質部材Ｍ１４を厚み方向に押すことになる。このようにして製造された図３１Ｃに示すガス拡散層１４Ａは、ガス流路２１Ａの下方領域（以下、流路下方領域という）２４Ａの多孔度がリブ部２２Ａ及びリブ下方領域２３Ａよりも低くなる。また、リブ下方領域２３Ａは、流路下方領域２４Ａに隣接するため、突起部３３ａの頂面３３ｂの圧力の影響を受けて、リブ部２２Ａよりも多孔度が低くなる。言い換えれば、リブ部２２Ａの多孔度は、リブ下方領域２３Ａの多孔度よりも高くなる。この場合、リブ部２２Ａの多孔度が高いため、リブ部２３Ａの変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができない一方、リブ下方領域２３Ａ及び流路下方領域２４Ａの多孔度が低いため、ガス拡散性が低下し、その結果、発電性能が低くなる。なお、「流路下方領域」とは、ガス流路の下面の鉛直下方に位置する領域をいう。
【００７４】
なお、金型３１，３２は、圧延機械と一体に構成されていても良いが、圧延機械に着脱可能に構成されている方が取り扱いやすい。また、圧延機械としては、ロールプレス機又は平板プレス機を用いることができる。これらのうち、面精度が高いロールプレス機を用いる方が、ガス拡散層１４の厚さバラツキを低減することができるので好ましい。この場合、一般的なグラビアロール機と同様に、ロールの表面に直接、突起部を有する金型が形成されていることが好ましい。
【００７５】
また、圧延機械による圧延時には、適宜、多孔度の低い多孔質部材を加温するようにしても良い。この場合、加温温度は、２５０℃以下であることが好ましい。加温温度が２５０℃以下であるとき、多孔度の低い多孔質部材が軟化して、ガス流路２１の形成が容易になる。一方、加温温度が２５０℃より高くなると、多孔度の低い多孔質部材が劣化するおそれがある。また、圧延機械の圧延力は、５００ｋｇｆ／ｃｍ２未満であることが好ましい。圧延機械の圧延力は、高いほど、ガス流路２１の形成が容易になるが、多孔度の低い多孔質部材に５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧延力が加わると、割れや材料破壊が生じるおそれがある。
【００７６】
また、圧延機械による圧延後に金型と多孔度の低い多孔質部材とが密着することを防止するために、それらの一方に離型剤をあらかじめ塗布しておいても良い。この離型剤としては、燃料電池の発電性能に影響を及ぼさない範囲で適宜選択可能であるが、蒸留水又は界面活性剤希釈蒸留水を用いることが好ましい。また、離型剤に代えて、ＰＴＦＥ樹脂製のシートを使用しても良い。金型の材質は、ステンレス鋼、チタン合金鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、超硬合金鋼、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２、Ｎｉ−Ｐ硬化クロムなどの工具鋼、セラミックス、ガラス繊維強化プラスチックなどから選択可能である。さらに、金型の表面には、耐食性及び離型性を高めるために、硬質Ｃｒメッキ、ＰＶＤ皮膜、ＴｉＣ皮膜、ＴＤ処理、Ｚｒ溶射処理、ＰＴＦＥコーティングなどの表面処理を施してもよい。前記ロールの表面に直接、突起部を有する金型が形成されている場合も同様である。
【００７７】
本第１実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも低くしているので、リブ部２２の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができ、発電性能を向上させることができる。また、ガス拡散層１４として基材レスガス拡散層を用いたとしても、リブ部２２の多孔度を低くすることによりリブ部２２の変形を抑えることができるので、炭素繊維を基材としたガス拡散層と比べて、製造工程を簡単にすることができ、製造コストを抑えることができる。
【００７８】
また、本第１実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも低くしたガス拡散層１４を、三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２を用いて多孔質部材Ｍ１４を圧延するという簡単な製造方法により製造することができる。
【００７９】
なお、多孔度は、次のようにして測定することができる。
まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の見かけ真密度を算出する。
次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。
次いで、多孔度＝（ガス拡散層の密度）／（見かけ真密度）×１００の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。
以上のようにして、製造したガス拡散層の多孔度を測定することができる。
なお、製造したガス拡散層の細孔径分布を、水銀ポロシメータを用いて測定したところ、累積細孔量から算出できる多孔度と、前記のようにして算出した多孔度とが一致していることを確認している。
【００８０】
なお、本発明は前記第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、金型３２の突起部３２ａの断面形状を三角形として、三角形の断面形状のガス流路２１を形成したが、本発明はこれに限定されない。金型３２の突起部３２ａの断面形状は、先細り形状であればよい。このような形状としては、三角形の他、図５に示すような台形や、図６に示すような五角形、図７に示すような三角形の先端部を丸めた形状などが挙げられる。このような形状であれば、リブ部２２を圧縮する方向に押すことができるので、リブ部２２の多孔度がリブ下方領域２３の多孔度よりも低くなるように製造することが可能になる。
【００８１】
なお、各リブ部２２の多孔度は均一であることが好ましい。これにより、ガス拡散層１４を通過する反応ガスが触媒層１４の全体に均一に供給されることになり、発電性能を向上させることができる。各リブ部２２の多孔度を均一にするためには、左右対称な断面形状の突起部を複数有する金型を用いるとよい。例えば、各突起部の断面形状が三角形である場合、当該三角形は二等辺三角形であることが好ましい。また、各突起部は、等間隔に形成されることが好ましい。さらに、各突起部は、同一形状であることが好ましい。
【００８２】
また、前記では、ステップＳ１〜Ｓ６を行うことによりガス拡散層１４を製造したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各ステップの間に適宜、他の作業が含まれてもよい。また、前記では、ガス拡散層１４の製造工程中に、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するステップＳ１〜Ｓ４の工程が含まれるようにしたが、本発明はこれに限定されない。シート状の多孔質部材Ｍ１４には、あらかじめ作製したものを用いてもよい。すなわち、この場合、ガス拡散層１４は、図８に示すようにステップＳ５及びステップＳ６のみを行うことで製造することができる。
【００８３】
また、図９に示すように、ステップＳ１１〜Ｓ１４を行うことによりガス拡散層１４を製造するようにしてもよい。以下、図９に示すガス拡散層１４の製造方法について説明する。
【００８４】
まず、ステップＳ１１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。
ステップＳ１２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延して、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。
【００８５】
ステップＳ１３では、シート状の多孔質部材Ｍ１４をガス流路２１の形状に対応する三角形の断面形状の突起部３２ａを有する金型３２と金型３１との間に配置した後、金型３１，３２を型閉じしてシート状の多孔質部材Ｍ１４を圧延する。これにより、シート状の多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３２ａが挿入されて三角形の断面形状のガス流路２１が形成されるとともに、多孔質部材の厚さが調整される。
ステップＳ１４では、ガス流路２１を形成した多孔質部材を焼成して、前記多孔質部材中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
これにより、図２に示すガス拡散層１４を得ることができる。
【００８６】
前記製造方法によれば、混錬物を焼成する前にガス流路２１を形成するようにしているので、混錬物の流動性が高く、疎密の分布ができやすい。従って、前記製造方法によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３の多孔度よりも、より確実に低くすることができる。
【００８７】
なお、前記では、平板プレス機を用いてシート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ロールプレス機を用いて、シート状の多孔質部材Ｍ１４を連続的に形成（ロール・トゥ・ロール）するようにしてもよい。この場合、ロールプレス機のロール径、ロール幅、及び面精度は、適宜設定可能であるが、ロール径が大きいほど、多孔質部材Ｍ１４にかかる圧力を均一に分散させることができる。また、面精度が高いほど、多孔質部材Ｍ１４の厚さバラツキを低減することが可能である。このため、ロール径が大きく、面精度が高いロールプレス機を使用することが好ましい。
【００８８】
また、前記では、前記混錬物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状の多孔質部材Ｍ１４を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、前記混錬物を押し出し機に投入し、押し出し機のダイヘッドから連続的にシート成形してシート状の多孔質部材Ｍ１４を製造することもできる。また、押し出し機が備えるスクリューの形状を工夫して、当該スクリューに混練機能を持たせることにより、前記混練機を使わずに前記混錬物を得ることができる。すなわち、この場合、前記各カーボン材料の攪拌、混練、シート成形を一台の機械で一体的に行うことができる。
【００８９】
なお、混練時間、混練機が備える羽の形状、混錬機の容量、各材料の投入量、分散溶媒の配合量、界面活性剤の配合量などによって、各材料（特に高分子樹脂材料）に加わる応力（せん断力）が変化し、その後のシート成形の容易性及び強度に影響がある。一般にせん断力が高いほど、高分子樹脂が高繊維化して導電性粒子同士の結着性を増し、ガス拡散層１４の強度が向上する。しかしながら、せん断力が高過ぎると、混練物が硬い団子状になって、混錬後のシート成形の際に過大な圧力を加える必要性が生じるなど、ガス拡散層の製造が難しくなる。
【００９０】
焼成温度及び焼成時間は、界面活性剤と分散溶媒とが蒸発又は分解する温度及び時間とすることが好ましい。なお、焼成温度が高過ぎる場合には、高分子樹脂が融解し、ガス拡散層１４としての強度が低下して、シート形状が崩れるおそれがある。このため、焼成温度は、高分子樹脂の融点（例えばＰＴＦＥの場合、３３０℃〜３５０℃）以下であることが好ましい。また、界面活性剤の蒸発又は分解温度は、例えば、ＴＧ／ＤＴＡ（示差熱・熱重量同時測定装置）等の分析結果により測定可能であり、一般的には２６０℃以上である。従って、焼成温度は、２６０℃以上であることが好ましい。焼成時間に関しては、焼成炉の仕様（体積、風量、風速など）と焼成枚数などに応じて適宜設定すればよい。
【００９１】
界面活性剤の材料は、カーボン材料及び分散溶媒の種類に応じて適宜選択すればよい。
なお、前記では界面活性剤を使用したが、界面活性剤を使用しなくても、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４は製造可能である。
【００９２】
《第２実施形態》
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１０は、本第２実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図１１は、図１０の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第２実施形態にかかる燃料電池が前記第１実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス流路２１Ｂの断面形状が矩形である点である。本第２実施形態において、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図１１に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
【００９３】
次に、図１１、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照しつつ、本発明の第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例について説明する。図１２は、ガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１３Ａ〜図１３Ｃは、ガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【００９４】
ここでは、金型３２に代えて金型３４を用いる点で前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と異なる。金型３４は、複数の突起部３４ａを有し、当該各突起部３４ａは、第１及び第２突起の一例である２枚の平板３４ｂ，３４ｃで構成されている。平板３４ｂ，３４ｃの少なくとも一方は、他方から離れる方向に移動可能に構成されている。それ以外の点については、前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略し、主に相違点について述べる。
【００９５】
まず、ステップＳ２１では、図１３Ａに示すように、多孔質部材Ｍ１４を金型３１，３４間に配置する。
ステップＳ２２では、図１３Ｂに示すように、金型３１，３４を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に各突起部３４ａが挿入される。
ステップＳ２３では、図１３Ｃに示すように、突起部３４ａを構成する平板３４ｂ，３４ｃを多孔質部材Ｍ１４の面方向であって互いに離れる方向に移動させる。これにより、多孔質部材Ｍ１４に複数の矩形断面のガス流路２１Ｂが形成される。このとき、各平板３４ｂ，３４ｃは、リブ部２２Ｂを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｂの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなる。これにより、図１１に示すガス拡散層１４Ｂを得ることができる。
【００９６】
本第２実施形態によれば、リブ部２２の多孔度をリブ下方領域２３及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くしているので、リブ部２２の変形及び反応ガスの過剰な透過を抑えることができ、発電性能を向上させることができる。
【００９７】
また、前記第１実施形態の製造方法を利用してガス流路２１の断面形状を矩形にしようとした場合には、一旦、金型３１，３２を型開きした後、ガス流路２１の周囲を削るなどの工程が必要である。これに対して、本第２実施形態によれば、金型３１，３４を型閉じしたまま、矩形断面のガス流路２１Ｂを形成することができ、製造工程を減らすことができる。
【００９８】
また、金型３４における２枚の平板３４ｂ，３４ｃにつき、その先端部のみが重なり合い、その末端部においては離れるように配置された金型（図示せず）を用いることで、台形の断面形状を有するガス流路２１を容易に製造することができる。
【００９９】
なお、流路下方領域２４Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３の多孔度と同様に、６５％以上８０％未満であることが好ましい。流路下方領域２４Ｂの多孔度が６５％未満である場合には、ガス透過性が低下して、ガス拡散層１４の厚み方向に反応ガスが流れにくくなり、ガス流路２１Ｂリブ部２２の鉛直下方での発電が困難になる。一方、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層の多孔度を８０％以上とすることは、製造プロセス上、困難である。仮に、多孔度８０％以上のガス拡散層を製造することができたとしても、強度が著しく低下し、ガス拡散層としての機能（特に耐久性）を果すことができない。
【０１００】
次に、前記製造方法の一例について詳細に説明する。
【０１０１】
まず、図１３Ａに示すような４つの突起部３４ａを有する金型３４を用意する。突起部３４ａは、チタン合金製の２枚の平板３４ｂ，３４ｃで構成し、１．５ｍｍ間隔で配置する。平板３４ｂ，３４ｃとしては、図１４に示すような厚さＴ１が０．０５ｍｍ、高さＨ１が０．６ｍｍ、幅Ｗ１が５００ｍｍの平板をそれぞれ用いる。金型３４としては、平板３４ｂ，３４ｃを互いに離れる方向に移動させることができるように、精密な駆動機構を組み込んだ金型を用いる。
【０１０２】
次いで、図１３Ａに示すように、金型３１と金型３４との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。多孔質部材Ｍ１４は、多孔度７０％、厚さ１ｍｍのものを用いる。
次いで、図１３Ｂに示すように、金型３１と金型３４とを型閉じし、各突起部３４ａを、平板３４ｂと平板３４ｃとが互いに接触した状態で多孔質部材Ｍ１４内に挿入する。
【０１０３】
次いで、金型３４内に組み込んだ駆動機構を駆動させて、図１３Ｃに示すように、平板３４ｂと平板３４ｃとを多孔質部材Ｍ１４の面方向であって互いに離れる方向にそれぞれ約５００μｍ移動させる。これにより、流路幅が１ｍｍ、流路深さが０．６ｍｍであるストレート形状のガス流路２１を４本同時に形成する。なお、リブ部２２の幅は０．５ｍｍとする。
【０１０４】
前記のようにしてガス拡散層１４Ｂを製造してリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４８％となる。
【０１０５】
なお、前記では、金型３４に４つの突起部３４ａを設け、当該４つの突起部３４ａを全て多孔質部材Ｍ１４内に挿入することにより、４本のガス流路２１Ｂを同時に形成するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金型３４に突起部３４ａを１つだけ設け、当該１つの突起部３４ａを多孔質部材Ｍ１４内に逐次挿入することにより、４本のガス流路２１Ｂを別々に形成するようにしてもよい。なお、前記のようにして製造したガス拡散層１４Ｂのリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４９％となる。
【０１０６】
また、本第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂは、図１５Ａ〜図１５Ｃに示す製造方法によっても製造することができる。以下、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すガス拡散層１４Ｂの製造方法について説明する。
【０１０７】
ここでは、金型３２に代えて金型３５を用いる点で前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と異なる。金型３５には、突起部の一例である複数の平板３５ａが設けられている。各平板３５ａは、多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動可能に構成されている。それ以外の点については、前記第１実施形態のガス拡散層１４の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略し、主に相違点について述べる。
【０１０８】
まず、図１５Ａに示すように、多孔質部材Ｍ１４を金型３１，３５間に配置する。
次いで、図１５Ｂに示すように、金型３１，３５を型閉じして多孔質部材Ｍ１４を圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に各平板３５ａが挿入される。
次いで、図１５Ｃに示すように、多孔質部材Ｍ１４内に挿入した各平板３５ａを、多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動させる。これにより、多孔質部材Ｍ１４に矩形断面のガス流路２１Ｂが形成される。このとき、各平板３５ａは、リブ部２２Ｂを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｂの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｂの多孔度は、リブ下方領域２３Ｂ及び流路下方領域２４Ｂの多孔度よりも低くなる。これにより、図１１に示すガス拡散層１４Ｂを得ることができる。
【０１０９】
次に、前記製造方法の一例について詳細に説明する。
【０１１０】
まず、図１５Ａに示すような４つの平板３５ａを有する金型３５を用意する。平板３５ａは、チタン合金製の平板で構成し、１．５ｍｍ間隔で配置する。平板３５ａとしては、図１４に示すような厚さＴ１が０．０５ｍｍ、高さＨ１が０．６ｍｍ、幅Ｗ１が５００ｍｍの平板を用いる。金型３５としては、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４の面方向に移動させることができるように、精密な駆動機構を組み込んだ金型を用いる。
【０１１１】
次いで、図１５Ａに示すように、金型３１と金型３５との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。多孔質部材Ｍ１４は、多孔度７０％、厚さ１ｍｍのものを用いる。
次いで、図１５Ｂに示すように、金型３１と金型３５とを型閉じし、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４内に挿入する。
【０１１２】
次いで、金型３５内に組み込んだ駆動機構を駆動させて、図１５Ｃに示すように、各平板３５ａを多孔質部材Ｍ１４の面方向に約１．０ｍｍ移動させる。これにより、流路幅が１ｍｍ、流路深さが０．６ｍｍであるストレート形状のガス流路２１を４本同時に形成する。なお、リブ部２２の幅は０．５ｍｍとする。
【０１１３】
前記のようにしてガス拡散層１４Ｂを製造してリブ下方領域２３とリブ部２２の多孔度を測定すると、例えば、リブ下方領域２３の多孔度が７０％であるのに対し、リブ部２２の多孔度は４８％となる。
【０１１４】
《第３実施形態》
本発明の第３実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１６は、本第３実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図１７は、図１６の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第３実施形態にかかる燃料電池が前記第１実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス拡散層１４Ｃのガス流路２１Ｃの断面形状がアーチ型である点である。それ以外の点については、前記第１実施形態にかかる燃料電池と同様に構成されている。すなわち、ガス拡散層１４Ｃは、リブ部２２Ｃの多孔度がリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図１７に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
【０１１５】
本第３実施形態によれば、ガス流路２１Ｃの断面形状をアーチ型にしているので、ガス拡散層１４Ｃの全体に締結圧が加わった場合に、アーチ状のガス流路２１Ｃの側壁がリブ部２２Ｃ側に広がっていく方向（面方向）にも応力が発生する。これにより、リブ部２２Ｃが更に密になり、当該断面形状を矩形とする場合よりもリブ部２２Ｃが変形しにくくなる。従って、セル１の組立時に加わる締結圧に対するリブ部２２の強度を向上させることができる。これにより、セル１の組立時に加わる締結圧によるガス流路２１Ｃの断面積の減少を抑えることができ、発電性能を一層向上させることができる。
【０１１６】
なお、アーチ型の断面形状には、図１８に示すように、底部１４ａａのコーナー部がＲ形状である断面形状が含まれる。また、アーチ型の断面形状には、図１９に示すように、円弧状の断面形状が含まれる。
【０１１７】
次に、図１７、図２０、図２１Ａ、及び図２１Ｂを参照しつつ、本発明の第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｂの製造方法の一例について説明する。図２０は、本発明の第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｃの製造方法の一例を示すフローチャートである。図２１Ａ及び図２１Ｂは、その製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
【０１１８】
まず、ステップＳ３１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。
ステップＳ３２では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延してシート状に成形する。
ステップＳ３３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ３４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材Ｍ１４を作製する。
なお、ステップＳ３１〜Ｓ３４は、前記ステップＳ１〜Ｓ４と同様である。
【０１１９】
ステップＳ３５では、図２１Ａに示すように、ガス流路２１Ｃの形状に対応するアーチ型の断面形状の突起部３６ａを有する金型３６と金型３１との間に多孔質部材Ｍ１４を配置する。
【０１２０】
ステップＳ３６では、図２１Ｂに示すように、金型３１，３６を型閉じして圧延する。このとき、多孔質部材Ｍ１４の第１主面に突起部３６ａが挿入され、アーチ型の断面形状のガス流路２１Ｃが形成される。また、このとき、アーチ型の断面形状の突起部３６ａはリブ部２２Ｃを圧縮する方向に押すので、リブ部２２Ｃの多孔度が他の部分よりも低く（例えば、４０〜５０％）なる。すなわち、リブ部２２Ｃの多孔度は、リブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなる。これにより、図１７に示すガス拡散層１４Ｃを得ることができる。
【０１２１】
なお、アーチ型の曲率等によっては、リブ部２２Ｃの多孔度をリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くすることが困難な場合がある。このため、リブ部２２Ｃの多孔度がリブ下方領域２３Ｃの多孔度よりも低くなるように、アーチ型の曲率等の各種寸法を設定するよう留意すべきである。
【０１２２】
次に、本第３実施形態にかかるアーチ型のガス流路２１Ｃを備えたガス拡散層１４Ｃの作用、効果を検証するために行った実験結果について説明する。
【０１２３】
ここでは、図３２に示す矩形断面のガス流路２２１を備える従来のガス拡散層２１４と、図１８及び図１９に示すアーチ型のガス流路２１Ｃを備える本第３実施形態にかかるガス拡散層１４Ｃの３つのガス拡散層を用意した。そして、図２２に示すように、それらのガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１側の主面に、セパレータ２０を取り付けた後、所定の圧力で加圧し、ガス流路の断面積の変化を検証した。
【０１２４】
このとき、図１８、図１９、及び図３２に示す各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１の各断面積は、約０．３３ｍｍ２となるように設定した。具体的には、各種寸法を次のように設定した。図３２に示す従来のガス拡散層２１４のガス流路２２１の幅Ｌは１．１ｍｍとし、深さＤは０．３ｍｍとした。図１８に示す本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ａのガス流路２１ａの上部１４ａｂの幅Ｌａは１．１ｍｍとし、深さＤａは０．３３５１ｍｍとし、底部１４ａｂのコーナー部のＲ形状部分の半径Ｒａは０．３ｍｍとした。図１９に示す本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂのガス流路２１ｂの上部１４ｂｂの幅Ｌｂは１．１ｍｍとし、深さは０．３９ｍｍとし、円弧部分の半径Ｒｂは１．３ｍｍとした。また、各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４及びセパレータ２０の長さＬ１は、３０．３５ｃｍとした。各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のヤング率は２．７８ＭＰａとし、ポアソン比は０．３とした。セパレータ２０のヤング率は９０００ＭＰａとし、ポアソン比は０．３とした。図２２に示す圧力Ｐは、２．０ｋｇｆ／ｃｍ２に設定した。
【０１２５】
【表１】
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【０１２６】
表１は、各ガス拡散層１４ａ，１４ｂ，２１４のガス流路２１ａ，２１ｂ，２２１の加圧前の断面積と、加圧後の断面積と、加圧前後の断面積の比を示している。
【０１２７】
表１により、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ａが従来のガス拡散層２１４に比べてガス流路の断面積の減少を３．９％（＝８０．５％−７６．６％）抑える効果を有することがわかる。また、表１により、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂが、従来のガス拡散層２１４に比べてガス流路の断面積の減少を４．８％（＝８１．４％−７６．６％）抑える効果を有することがわかる。
【０１２８】
図２３は、ガス流路の上部の流路幅を１．１ｍｍで固定したときの、ガス流路の深さに対する圧力損失の割合を示すグラフである。
【０１２９】
ここで、各ガス拡散層１４ｂ，２１４のガス流路２１ｂ，２２１の加圧前の深さを０．３ｍｍとした場合において、圧力Ｐを２．０ｋｇｆ／ｃｍ２として加圧すると、ガス流路２１ｂ，２２１の加圧後の深さＤｂ，Ｄは次のようになる。すなわち、ガス流路２１ｂの加圧後の深さＤｂは、０．２４３ｍｍ（＝０．３ｍｍ×８１．４％）となり、ガス流路２２１の加圧後の深さＤは、０．２２８ｍｍ（＝０．３ｍｍ×７６．６％）となる。
【０１３０】
図２３において、ガス流路の深さが０．２４３ｍｍのとき、圧力損失は約１．７ｋＰａである。図２３において、ガス流路の深さが０．２２８ｍｍのとき、圧力損失は約２．０ｋＰａである。これにより、本第３実施形態にかかるガス拡散層１４ｂが従来のガス拡散層２１４に比べて０．３ｋＰａ（＝２．０ｋＰａ−１．７ｋＰａ）の圧力損失を低減する効果を有することがわかる。なお、圧力損失を０．３ｋＰａ低減することで、約１Ｗの消費電力を削減することができる。
【０１３１】
なお、前記では、ガス流路２１Ｃの断面形状をアーチ型としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス流路２１Ｃの断面形状は、図２４に示すような台形であってもよいし、図２５に示すような五角形であってもよい。また、ガス流路２１の断面形状は、図２６に示すような三角形の先端部を丸めたような形状であってもよい。すなわち、ガス流路２１の断面形状は、触媒層１３側に位置する底部からセパレータ２０側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなっていればよい。このような断面形状であっても、従来よりもリブ部の変形を抑えることができる。
【０１３２】
また、ガス流路の全てがアーチ型である必要はなく、少なくとも一部がアーチ型であればよい。この場合でも、従来に比べて発電性能を向上させることができる。なお、ボルトなどの締結部材によりセル１を加圧締結する場合、当該締結部材は、通常、ガス拡散層１４Ｃの外周部を貫通するように挿入される。このため、特にガス流路２１Ｃの外周部に、大きな圧力がかかり易い。従って、ガス拡散層１４Ｃの主面の中心側に位置するガス流路に比べて、ガス拡散層１４Ｃの主面の外周側に位置するガス流路の方が閉塞され易い。このため、例えば、図２７に示すように、ガス拡散層１４Ｃの両端部側に位置するガス流路をアーチ型の断面形状を有するガス流路２１Ｃとし、それらの間に位置するガス流路を矩形断面を有する従来のガス流路２２１としてもよい。また、図２８に示すように、直線状に伸びる複数のガス流路を、それぞれ、アーチ型の断面形状を有するガス流路２１Ｃである部分と、矩形断面を有する従来のガス流路２２１である部分とで構成するようにしてもよい。
【０１３３】
また、前記では、アノード側及びカソード側の両方に、本発明にかかる流路付きガス拡散層を配置したが、本発明はこれに限定されない。アノード側及びカソード側の少なくとも一方に、本発明にかかる流路付きガス拡散層を配置した構造としてもよい。
【０１３４】
カソード電極（空気極）の酸化剤ガス流路は、アノード電極（燃料極）の燃料ガス流路に比べて複雑な形状である方が、燃料電池の発電性能は高くなりやすい。しかしながら、金属、あるいはカーボンと樹脂とで構成された従来のセパレータに複雑な形状のガス流路を設けることは困難である。これに対して、本発明にかかる流路付きガス拡散層は、基材レスガス拡散層で構成されているので、ガス流路の形成が容易である。従って、例えば、図２９に示すように、アノード側には、従来のアノードガス拡散層１１４と、燃料ガス流路１２１を設けた従来の溝状のガス流路が形成されたセパレータ１２０とを配置し、カソード側にのみ、ガス流路２１を有する本発明のカソードガス拡散層１４と、少なくとも膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有するセパレータ２０とを配置するようにしてもよい。平坦とは、カソードセパレータの面方向において、巨視的に見て、凹凸が形成されていない形状をいい、例えば、プレス機や切削機で反応ガス流路となるような凹凸を形成されていない形状をいう。このような構成によっても、従来の構成に比べて、燃料電池の発電性能の一層向上させることができる。
【０１３５】
なお、この場合、アノードガス拡散層１１４の多孔度は、カソードガス拡散層１４の多孔度より低いことが好ましい。これにより、アノードガス拡散層１１４の保水性をカソードガス拡散層１４の保水性に比べて高くすることができる。また、カソードガス拡散層１４のガス拡散性をアノードガス拡散層１１４のガス拡散性に比べて高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明にかかる膜電極接合体及びその製造方法は、燃料電池の発電性能の一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。
【０１３７】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【０１３８】
２０１０年８月９日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００９−２０１３８６号及び２０１０−１７８３２１号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた１対の触媒層と、
前記１対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第１主面とその反対側に位置する第２主面とを有し、前記第２主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第１主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体。
【請求項２】
前記リブ部の多孔度が、前記第２主面側に位置する前記ガス流路の下方領域の多孔度よりも低い、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記ガス流路の少なくとも一部は、前記第２主面側に位置する底部から前記第１主面側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項１又は２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記ガス拡散層の第１主面の中心側に位置するガス流路は、矩形の断面形状を有し、
前記ガス拡散層の第１主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記ガス流路の全部が、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、三角形である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、アーチ型である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、台形である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する１対のセパレータと、
を有する、燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記ガス拡散層の前記第２主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第１セパレータと、
前記第１セパレータと対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第２セパレータと、
を有する、燃料電池。
【請求項１１】
第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記突起部の断面形状が三角形である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記突起部の断面形状がアーチ型である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記突起部の断面形状が台形である、請求項１１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
第１主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第１主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第１主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第２主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
前記突起部は、第１突起と第２突起とを有し、
前記ガス流路は、前記第１突起と前記第２突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、請求項１５に記載の膜電極接合体の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2011027539.tif 000075
【図２６】
2011027539.tif 000076
【図２７】
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【図２８】
2011027539.tif 000078
【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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